Forth im FPGA. Andrew Read's N.I.G.E.-Machine. Ulrich Hoffmann

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Kevin Brauer
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1 Forth im FPGA Andrew Read's N.I.G.E.-Machine Ulrich Hoffmann

2 Forth im FPGA Andrew Read's N.I.G.E.-Machine Offene Systeme N.I.G.E.-Machine Nexys4-Board (Digilent) Demo Projekt Fazit

3 Offene Systeme Quellcode liegt vollständig vor. Forth - Lisp - Oberon - Linux Jeder Aspekt ist zu verstehen (bis zum Metall) Kann vollständig neu generiert werden. plus Selbstbezüglichkeit System kann sich selbst neu generieren. Quellcode ist in der/den Systemsprachen Meta-Compiler

4 N.I.G.E. -Machine Forth Computer im FPGA von Andrew Read auf der EuroForth 2012 in Oxford vorgestellt. komplett mit Tastatur/Video/Massenspeicher 32-Bit Forth-Softcore-CPU in VHDL 8-Bit-Instruktionen (Microcode) deterministische Ausführungszeiten trotz Pipeline kurze Interruptlatenz 50 Seiten Handbuch GPL / commercial License

5 Wieso N.I.G.E.? Prototyping von neuer Hardware Entwurf der Custom-Logic in VHDL Anschluss an N.I.G.E.-CPU (einfach) Treiber interaktiv direkt auf N.I.G.E. entwickeln. Nur in Forth - no assembly required Anschluss neuer Peripherie (z.b. über PMods) N.I.G.E. ist ein offenes System lernen und verstehen bis zum Metall

6 N.I.G.E.-Machine Stack Memory Interface ReturnStack N.I.G.E. - CPU Data and Video - Memory Program Memory Custom- Logic Peripheral-Interfaces FPGA Peripherals Keyboard SD-Card Serial line Video Custom Hardware

7 Befehlssatz 63 Instruktionen Stack-Manipulation 15 Instruktionen NOP (no operation), DROP DUP?DUP SWAP OVER NIP ROT >R R> SP! RP! Mathematische Operationen 12 Instruktionen + - NEGATE ASL ASR U* * +c -c / U/ Vergleichsoperationen 11 Instruktionen = and <> < > U< U> 0= 0<> 0< 0> FALSE Bitweise Operationen 7 Instruktionen AND OR INVERT XOR LSL LSR byte and word sign extension to 32 bits Speicheroperationen 6 Instruktionen C@ C! W@ Literale Lade-Operationen 3 Instruktionen LOAD longword, word oder byte-werte aus dem Programmspeicher Kontrollstruktur-Operationen 6 Instruktionen JMP (jump to the address on the parameter stack), BSR and JSR ( branch/jump to subroutine), RTS (return from subroutine) BEQ, BRA (conditional and unconditional) Ausnahmebehandlung 3 Instruktionen TRAP (software vector) RTS_TRAP (single- step), and RTI (return from interrupt)

8 N.I.G.E.-Machine Forth-System ANS-Forth kompatibel Kern in N.I.G.E.-Assembler geschrieben (Cross-Assembler auf gforth, vfx, swift) Alles andere in Forth auf N.I.G.E. FAT32-Filesystem für SD-Karte Full-Screen-Editor

9 In N.I.G.E.-Assembler OVER OVER.LF dc.l SWAP.NF OVER.NF dc.b dc.b char R char E char V char O OVER.SF dc.w 1 OVER.CF over,rts ;

10 In N.I.G.E.-Assembler COUNT ; ; COUNT ( addr - - c- addr n) ; COUNT.LF dc.l $=.NF COUNT.NF dc.b dc.b char T char N char U char O char C COUNT.SF dc.w COUNT.Z COUNT.CF del COUNT.CF dup ( addr addr) 1+ ( addr c- addr) swap ( c- addr addr) COUNT.Z fetch.b,rts ( c- addr n)

11 In N.I.G.E.-Assembler VARIABLE ; ; VARIABLE ( - - create a variable) VARIABLE.LF dc.l ALLOT.NF VARIABLE.NF dc.b dc.b char E char L char B char A char I char R char A char V VARIABLE.SF dc.w VARIABLE.Z VARIABLE.CF del VARIABLE.CF jsl COLON.CF ; initiate the word #.w HERE_ fetch.l #.b 6 ; allow enough space for a 4 byte PFA address, load and RTS + dup (PFA PFA) jsl LITERAL.CF ; compile the PFA jsl SEMICOLON.CF #.b 4 ( PFA 4) ; allocate space for the the PFA + ( HERE') #.w HERE_ ( HERE' &HERE) VARIABLE.Z store.l,rts

12 Nexys4 FPGA-Board Digilent Quelle: trenz-electronic.de

13 Demo

14 Projekt N.I.G.E.-Projekt gehostet auf GitHub Mitstreiter gesucht Quelle: github.com

15 Fazit N.I.G.E. ist benutzbar. N.I.G.E. ist ein offenes System nicht selbstbezüglich System in N.I.G.E.-Assembler (nicht in Forth) CPU in VHDL Prototyping neuer Hardware Systematisches Vorgehen kurze Entwicklungsgeschwindigkeit

16 Quelle: digilentinc.com

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